中國(guó)芯片行業(yè)彎道超車(chē)的策略不現(xiàn)實(shí)?

談到中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，“彎道超車(chē)”一詞頻繁見(jiàn)諸媒體。在不同語(yǔ)境下，“彎道超車(chē)”也有不同的含義。有的是指中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)必須經(jīng)過(guò)驚險(xiǎn)的努力，才能超越美國(guó)領(lǐng)導(dǎo)構(gòu)建的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)體系，創(chuàng)造世界半導(dǎo)體的新一極。而另一些指的是通過(guò)某些特殊的技術(shù)或者機(jī)緣，中國(guó)半導(dǎo)體靠巧力完成超越。

后者無(wú)疑對(duì)中國(guó)的半導(dǎo)體正常發(fā)展不利，但又是經(jīng)?？吹降摹Ｔ缭?017年，國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金總裁丁文武就表示：“中國(guó)芯片行業(yè)彎道超車(chē)的策略不現(xiàn)實(shí)，彎道超車(chē)的前提是大家在同一起跑線(xiàn)上”。但是華為被斷供之后，鋪天蓋地的“彎道超車(chē)”又卷土重來(lái)。

在這里，梳理了一些常見(jiàn)的“彎道超車(chē)”誤會(huì)，希望我們能堅(jiān)定決心踏實(shí)發(fā)展，破除美國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域的壟斷和封鎖。

01高估新技術(shù)潛力 芯片產(chǎn)業(yè)化沒(méi)這么簡(jiǎn)單

傳統(tǒng)的芯片使用的半導(dǎo)體基礎(chǔ)材料是硅。其他的材料做芯片，尤其是一些新材料，在某些性能上會(huì)比傳統(tǒng)芯片好得多。

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的電子復(fù)興計(jì)劃曾經(jīng)撥款6100萬(wàn)美國(guó)給麻省理工學(xué)院的Max Shulaker教授團(tuán)隊(duì)，用于研究碳納米管3D芯片。Max教授2013年認(rèn)為：“與傳統(tǒng)晶體管相比，碳納米管體積更小，傳導(dǎo)性也更強(qiáng)，并且能夠支持快速開(kāi)關(guān)，因此其性能和能耗表現(xiàn)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)硅材料”。

近期被熱炒的中科院3nm晶體管和北大碳基芯片也屬于這一類(lèi)，共同的特點(diǎn)是用新材料取代傳統(tǒng)的硅材料，在某些性能上擁有突出的表現(xiàn)。

2017年，北大彭練矛院士團(tuán)隊(duì)研制了高性能5 nm（納米）柵長(zhǎng)碳納米管CMOS器件，并發(fā)表在權(quán)威期刊《Science》上。根據(jù)研究，其工作速度3倍于英特爾最先進(jìn)的14 nm商用硅材料晶體管，能耗卻只有硅材料晶體管的1/4。

因此近期某些媒體認(rèn)為，中國(guó)將通過(guò)碳基芯片和中科院的3nm晶體管實(shí)現(xiàn)彎道超車(chē)。真的是這樣嗎？

像這樣說(shuō)的人，其實(shí)隱含了一個(gè)判斷，即：近幾年來(lái)，作為計(jì)算機(jī)核心的CPU的單核性能不再像過(guò)去一樣大幅提高，是因?yàn)楣璋雽?dǎo)體材料的力學(xué)、化學(xué)和電學(xué)性能不行。但事實(shí)是，制約CPU主頻提高的因素是芯片功耗障礙和帶寬障礙，這些都不是靠換材料能夠解決的。

以主頻的提高為例，130nm工藝之后，芯片電路延遲隨晶體管縮小的趨勢(shì)越來(lái)越弱。伴隨而來(lái)的就是主頻的提升越來(lái)越難，目前制約主頻的主要因素已經(jīng)成為連線(xiàn)時(shí)延而非晶體管的翻轉(zhuǎn)速度。

隨之制程的減小，門(mén)延遲降低而連線(xiàn)延遲上升

現(xiàn)今CPU的主頻提高早已由門(mén)延遲主導(dǎo)變?yōu)檫B線(xiàn)延遲主導(dǎo)，連線(xiàn)延遲通俗的說(shuō)就是電流在CPU中流動(dòng)產(chǎn)生的延遲。由于電子以接近光速傳播，沒(méi)有更快的可能了，想要優(yōu)化只能讓CPU性能上升的情況下，還得簡(jiǎn)化其結(jié)構(gòu)，引入新的材料并不能解決面臨的這一難題。

相反，以石墨烯構(gòu)建芯片還面臨著與舊生態(tài)不兼容、加工困難的問(wèn)題。無(wú)論是中科院的殷華湘團(tuán)隊(duì)還是北大彭練矛院士團(tuán)隊(duì)，目前的成果還停留在單個(gè)晶體管的層面。就算發(fā)表的成果保守一些，實(shí)際上也不會(huì)超過(guò)上萬(wàn)個(gè)晶體管集成電路的水平。與主流芯片動(dòng)輒幾億、幾十億晶體管存在巨大的差距。

而唯一能做出芯片級(jí)成果的Max Shulaker教授團(tuán)隊(duì)，也沒(méi)能徹底解決碳基芯片的良率問(wèn)題。

該教授2017年發(fā)表在《自然》雜志論文中報(bào)告的芯片，擁著四個(gè)集成電路層，并擁有5個(gè)子系統(tǒng)。其中負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)樣品蒸汽數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理的部分是碳納米晶體管構(gòu)建的，而電阻隨機(jī)存儲(chǔ)單元（RRAM）和接口電路是由硅晶體管構(gòu)建的。毫無(wú)疑問(wèn)，這是一個(gè)碳基+硅基組合型的氣味探測(cè)芯片，而不僅僅是碳納米晶體管構(gòu)成的。

Max Shulaker教授的組合型芯片

這一芯片號(hào)稱(chēng)集成的200萬(wàn)個(gè)碳納米晶體管也有很大的水分。該芯片只有氣味傳感器中使用了碳納米晶體管，而氣味傳感器的容錯(cuò)性是非常強(qiáng)的，100萬(wàn)個(gè)氣味傳感器傳感器中即使損壞一半也不會(huì)對(duì)芯片產(chǎn)生毀滅性的影響。但是芯片的邏輯部分絕對(duì)接受不了這樣的良率。

最后，我們不能太低估傳統(tǒng)工藝。根據(jù)彭練矛院士團(tuán)隊(duì)研究，5nm碳納米管的速度是英特爾14nm的三倍。我們假設(shè)這個(gè)速度差距，完全可以變?yōu)樾酒饕l率的差距。之所以拿主要頻率做例子，因?yàn)檫@是目前半導(dǎo)體發(fā)展的主要瓶頸。

按工藝代數(shù)算，5nm差不多比14nm領(lǐng)先三代，而14nm又比40nm領(lǐng)先三代。從40nm進(jìn)步到14nm，CPU和GPU的主要頻率都增加了大約1倍（當(dāng)然這主要是因?yàn)樵O(shè)計(jì)上的進(jìn)步）。

照這么算，新材料芯片同進(jìn)程最多比硅芯片快50%。當(dāng)然這是很大的優(yōu)勢(shì)，但是考慮到新材料芯片的設(shè)計(jì)、制造和生態(tài)都很不成熟。僅僅快一點(diǎn)，是扭轉(zhuǎn)不了現(xiàn)有的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)幾十年發(fā)展所產(chǎn)生的慣性的。

還有一種誤會(huì)是，中國(guó)產(chǎn)業(yè)真的取得了新的突破，但新技術(shù)的潛力被宣傳夸大了，成為又一被“彎道超車(chē)”的對(duì)象。

其中最典型的莫過(guò)于2018年“自主研發(fā)22nm光刻機(jī)”事件，2018年12月1日，《解放軍報(bào)》報(bào)道了中科院光電所可加工22nm芯片的“‘超分辨光刻裝備項(xiàng)目’通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收”，很快引發(fā)了網(wǎng)絡(luò)社區(qū)的狂歡，似乎中國(guó)自主生產(chǎn)高性能光刻機(jī)已經(jīng)近在咫尺了。

自主研制的超分辨光刻鏡頭

事實(shí)是，這主要是一個(gè)生產(chǎn)光電芯片的超分辨率光刻鏡頭，在11月30日凌晨央視13頻道的《午夜新聞欄目》中，該項(xiàng)目副總設(shè)計(jì)師胡松就說(shuō)到該設(shè)備可以加工10毫米乘10毫米范圍的芯片。

10毫米乘10毫米，也就是100平方毫米，這已經(jīng)大于大部分手機(jī)芯片的大小了。但是對(duì)于更高等級(jí)的芯片，比如說(shuō)電腦CPU、GPU而言，這樣的大小就很不夠看了。

總之，過(guò)分夸大新技術(shù)的顛覆性作用是這種誤會(huì)產(chǎn)生的根源。

02天上掉餡餅的引進(jìn) 技術(shù)大躍進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)重重

既然引進(jìn)新技術(shù)不可行，又想要彎道超車(chē)，那只能依靠外部技術(shù)輸入了，“可喜”的是，瞌睡時(shí)總有人送上枕頭。

8月24日，財(cái)新網(wǎng)報(bào)道了弘芯半導(dǎo)體——預(yù)計(jì)投資千億的明星項(xiàng)目停擺了，而且面臨著資金鏈斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。由于資金困難，弘芯原計(jì)劃購(gòu)置設(shè)備3560臺(tái)（套），但項(xiàng)目一期生產(chǎn)線(xiàn)僅有300余臺(tái)（套）設(shè)備處于訂購(gòu)和進(jìn)廠階段。在此之前，該項(xiàng)目好不容易從AMSL引進(jìn)的一臺(tái)高級(jí)光刻機(jī)已經(jīng)被以5.8億元抵押了。最丟人的是，從引進(jìn)至今，該設(shè)備沒(méi)有生產(chǎn)過(guò)一片晶圓。

根據(jù)筆者的梳理，近年來(lái)爆雷的半導(dǎo)體項(xiàng)目至少還包括福建晉華、蘇州宏芯、淮安德準(zhǔn)半導(dǎo)體、成都格芯和貴州華芯通。經(jīng)過(guò)深入了解，這些項(xiàng)目幾乎都存在破天荒的技術(shù)引進(jìn)。

最近爆雷的武漢弘芯半導(dǎo)體項(xiàng)目，當(dāng)初最被人看好的就是成功從ASML引進(jìn)了一臺(tái)性能很高的TWINSCAN NXT:1980Di光刻機(jī)，弘芯專(zhuān)門(mén)為這臺(tái)設(shè)備準(zhǔn)備了風(fēng)光的進(jìn)場(chǎng)儀式。

弘芯為設(shè)備進(jìn)場(chǎng)準(zhǔn)備的風(fēng)光儀式

2016年2月，一則有關(guān)蘇州中晟宏芯欠薪的微博引爆業(yè)界，引發(fā)了輿論的熱議。宏芯2014年從IBM引進(jìn)了Power8 CPU的全套源代碼，并承接了“核高基”以及其他項(xiàng)目補(bǔ)助不少于20億資金。但是這個(gè)被寄予厚望的項(xiàng)目，卻在短短兩年內(nèi)就爆出了“欠薪事件”，隨后該項(xiàng)目陷入沉寂。

蘇州中晟宏芯引進(jìn)了Power8 CPU的源代碼，此時(shí)距離IBM發(fā)布Power8還不到一年，當(dāng)時(shí)屬于IBM性能最強(qiáng)的CPU，也是當(dāng)時(shí)單核性能最強(qiáng)的服務(wù)器CPU。

成都格芯是今年5月份爆雷的，計(jì)劃引進(jìn)的是格羅方德晶圓制造工藝。格羅方德是2015年世界第三大芯片制造廠，這樣的項(xiàng)目對(duì)成都而言，誘惑力不能說(shuō)是不大。

華芯通是2016年貴州省政府和美國(guó)高通公司共同成立的合資公司。目標(biāo)是承接高通ARM架構(gòu)的服務(wù)器芯片技術(shù)，面向中國(guó)市場(chǎng)設(shè)計(jì)并銷(xiāo)售這些產(chǎn)品。同年華芯通獲得ARMv8-A 64位處理器架構(gòu)授權(quán)。這意味著華芯通可以設(shè)計(jì)并銷(xiāo)售符合該指令集的64位處理器。

2018年11月27日，華芯通半導(dǎo)體在北京舉行新品發(fā)布會(huì)，宣布其第一代商用ARM架構(gòu)國(guó)產(chǎn)通用服務(wù)器芯片—昇龍4800 （StarDragon 4800） 正式量產(chǎn)。隨著第一代產(chǎn)品量產(chǎn)的消息，其注冊(cè)資本也節(jié)節(jié)攀升到38.5億元。誰(shuí)知過(guò)了不到半年，就傳來(lái)了華芯通關(guān)門(mén)的消息。

高通的ARM的服務(wù)器芯片，2016年拿出來(lái)還是引領(lǐng)風(fēng)騷的，甚至于首屈一指。這樣的項(xiàng)目落戶(hù)貴州，難怪當(dāng)?shù)卣畬?duì)此充滿(mǎn)了興奮和期待。

但這些項(xiàng)目最后的結(jié)局都不好，落得個(gè)“風(fēng)流總被雨打風(fēng)吹去”。為什么這些“技術(shù)先進(jìn)”的項(xiàng)目，到了中國(guó)就水土不服了呢？

事后復(fù)盤(pán)，這其實(shí)是一種信息差導(dǎo)致的誤判。

國(guó)外這些所謂“先進(jìn)”的技術(shù)，在當(dāng)時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)了一些難以為繼的現(xiàn)象。例如：引入IBM的Power8時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的“去IOE”（用廉價(jià)的產(chǎn)品替代昂貴的IBM小型機(jī)、Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)和EMC存儲(chǔ)設(shè)備）運(yùn)動(dòng)已接近尾聲。

又如格羅方德雖然是2015年世界第三大芯片制造廠，但這主要是因?yàn)?a href="http://ttokpm.com/tags/amd/" target="_blank">AMD的業(yè)務(wù)拉動(dòng)。格羅方德是從AMD分拆出的芯片制造廠，分拆后很長(zhǎng)一段時(shí)間依然為AMD代工，因此保持了較高的市場(chǎng)份額。脫離了AMD帶動(dòng)，分拆后的格羅方德自身盈利能力偏低，大舉投資不太現(xiàn)實(shí)。

國(guó)內(nèi)政府的相關(guān)管理人員要意識(shí)到這些信息需要時(shí)間。一些掮客就是利用了這一點(diǎn)，將國(guó)外即將落后的一些技術(shù)進(jìn)行包裝，顯得市場(chǎng)前景廣闊。利用地方政府渴盼優(yōu)質(zhì)項(xiàng)目的心理，獲得國(guó)內(nèi)的補(bǔ)貼和政策扶持。

總而言之，還是缺乏踏踏實(shí)實(shí)自主研發(fā)的魄力和毅力。還是那句話(huà)：“關(guān)鍵核心技術(shù)是要不來(lái)、買(mǎi)不來(lái)、討不來(lái)的”。

老希望搞“彎道超車(chē)”，實(shí)質(zhì)就是不相信“關(guān)鍵核心技術(shù)必須牢牢掌握在我們自己手中”的科學(xué)判斷，同時(shí)也是不尊重艱苦奮斗創(chuàng)造的美好中國(guó)。中國(guó)制造業(yè)的騰飛，固然有少數(shù)來(lái)自于彎道超車(chē)，但更多的是靠苦干奮斗。

我們都見(jiàn)證過(guò)“牛仔褲換大飛機(jī)”的歷史，那是一段直道追趕的過(guò)去。今天的半導(dǎo)體破圍戰(zhàn)，能夠“彎道超車(chē)”當(dāng)然好，但我們一定不能放棄直道追趕的勇氣。而且我相信，靠直道追趕，中國(guó)半導(dǎo)體也能勝利。
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